本文主要參考文獻(xiàn)為：Thermo-compression Bonding for Fine-pitch Copper-pillar Flip-chip Interconnect – Tool Features as Enablers of Unique Technology

1. 前言
   

如前文所述，封裝路線的方向一直在向高性能輕薄化演進(jìn)，為封裝行業(yè)帶來了全新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。英特爾公司選擇了基于基板(Substrate)的TCB(Thermal Compression Bonding 熱壓鍵和)工藝以替代傳統(tǒng)的回流焊(Reflow)。該設(shè)備為英特爾和ASMPT公司聯(lián)合開發(fā)，并于2014年導(dǎo)入量產(chǎn)，該設(shè)備有著極高的加工精度及豐富的可擴(kuò)展性，不但可用于基板級(jí)封裝，還可用于晶圓級(jí)封裝，這就為英特爾在之后數(shù)年推出EMIB，F(xiàn)overos等先進(jìn)封裝方式打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。

圖1. 英特爾的Co-EMIB MCP (Multi-Chip-Package)封裝產(chǎn)品

圖2 英特爾的Foveros封裝(芯片堆疊工藝)

我們將會(huì)先從英特爾為什么要引入TCB，從它前一代的技術(shù)回流焊遇到了什么樣的挑戰(zhàn)開始，然后介紹TCB的工藝細(xì)節(jié)，設(shè)備細(xì)節(jié)以及量產(chǎn)應(yīng)用中的優(yōu)化。最后再談?wù)劰P者自己的看法。

1. 回流焊工藝及其挑戰(zhàn)回顧
   

典型的倒裝回流焊如圖3所示：將芯片上的BUMP先浸蘸助焊劑，并貼在基板上。在進(jìn)入回流爐前，助焊劑的粘性可將芯片軟性固定，以防止其位置偏移，之后進(jìn)入回流爐。在特定的升溫降溫(溫度曲線如圖4)下，凸點(diǎn)焊球會(huì)熔化為液態(tài)，在潤(rùn)濕銅微柱的過程中基于表面張力使得芯片回流對(duì)位，最后在降溫作用下變成固相連接。

圖3 芯片貼裝流程 Flux Film: 助焊劑層，F(xiàn)lux Pot: 助焊劑容器，F(xiàn)lux Dipping: 助焊劑浸蘸， Position Flip chip on the substrate: 將芯片倒置對(duì)準(zhǔn)基板上， Place Flip chip onto substrate: 將芯片放置于基板上，Reflow:回流焊，Flip chip soldering completed: 完成芯片倒裝焊

圖4 標(biāo)準(zhǔn)的回流焊曲線

1. TCB 工藝介紹
   

但是由于超薄產(chǎn)品的引入，回流焊的缺陷率就開始增加如圖5所示：翹起，非接觸性斷開，局部橋接等?；亓骱傅牧硗庖粋€(gè)不足在于，芯片的位置容易發(fā)生偏移，一是料盤/載具在傳輸過程中受震動(dòng)影響，二是回流過程中芯片的自由偏移。焊接凸點(diǎn)間距(Pitch)越小，芯片尺寸越大，則偏移失效越嚴(yán)重。

圖5 回流焊流程中的各種缺陷

正是由于以上回流焊中的缺陷率越來越高，英特爾引入了TCB工藝。具體流程為：1， 基板(Substrate)在涂覆Flux后，被真空吸附固定在定制的加熱板上。2，貼片頭(BondHead)吸起芯片(Die)，芯片在真空吸附下平整的貼合吸頭(Nozzle)之下。3，光學(xué)相機(jī)輔助定位，基板所在的解熱板位置微移，與芯片完成對(duì)位。4，BondHead向下運(yùn)動(dòng)，直到接觸到基板的時(shí)候停止。5，Bondhead加載一個(gè)壓應(yīng)力，同時(shí)芯片會(huì)被快速加熱直至錫球熔化溫度。6，在錫球熔化的一刻，BondHead會(huì)將芯片繼續(xù)向下走微小的距離，以確保所有的凸點(diǎn)能夠連接。7，芯片在該高度保持?jǐn)?shù)秒，確保錫球完全熔化浸潤(rùn)芯片和基板上的連接點(diǎn)。8，之后在熔融狀態(tài)下，BondHead向上提升一定的高度，以得到預(yù)期的焊接高度。9，最后，BondHead快速降溫，錫焊變?yōu)楣滔?。Bondhead釋放真空，回到待機(jī)位置。

在整個(gè)過程中，TCB會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)BondHead的溫度(Temperature)，吸頭的應(yīng)力( Bond Force)和Z方向的位移 (Bond Head Z Postion)，其曲線如圖6所示。整個(gè)焊接過程不超過4秒。

圖6 TCB 焊接過程中曲線圖

在TCB焊接過程中，錫球（Solder Ball）由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的一步非常關(guān)鍵，會(huì)相應(yīng)觸發(fā)BondHead由應(yīng)力控制轉(zhuǎn)為位置控制。另外一個(gè)有趣的現(xiàn)象就是錫球液化后的表面張力的影響，在壓力曲線上會(huì)產(chǎn)生負(fù)值。由于該效應(yīng)比較微弱，很容易與其他失效混淆，增加了信號(hào)識(shí)別難度。

1. TCB設(shè)備細(xì)節(jié)詳述
   

   

TCB 設(shè)備外觀

TCB設(shè)備的心臟是貼片頭(Bond Head)，由線性伺服馬達(dá)(Linear Servo Motor)驅(qū)動(dòng)空氣軸承(Air Bearing)運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。有賴于高精度的伺服系統(tǒng)以及無摩擦的空氣軸承導(dǎo)軌，垂直方向的運(yùn)動(dòng)精度可以控制在1um以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)錫球熔化過程下的微移動(dòng)的精準(zhǔn)控制。

貼片頭配備了應(yīng)力控制單元(Force Sensor)，快速升降溫脈沖加熱器(Pulse Heater)，還配備了一套主動(dòng)傾斜控制系統(tǒng)(Active Tip Tilt，專利號(hào)US8387851B1)。

主動(dòng)傾斜控制系統(tǒng)(Active Tip Tilt)可以精確調(diào)節(jié)脈沖加熱器的共面度，使其與基板(Substrate)所在的加熱板(Hot Pedestal)的表面完美貼合，在22mm x 33mm的區(qū)域內(nèi)，可使上下兩個(gè)平面共面間距不超過3um，幾乎可以消除芯片翹起相關(guān)的失效。

壓力傳感器(Force Sensor)與壓力傳動(dòng)方向同步，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貼片頭在垂直方向運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)力反饋，從而得知芯片在貼片過程中的受壓狀態(tài)。線性伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可提供貼片頭超過10N的貼片壓力，壓力伺服控制反饋系統(tǒng)可提供0.05N壓力控制精度。

脈沖加熱器(Pulse Heater)可提供每秒超過100度的升溫速率，以及超過50度/秒的降溫速度，這樣從約400度（貼片過程中的最高溫度）降到待機(jī)150度只需5秒左右。快速升溫降溫能力可以避免過多的熱量持續(xù)加載給基板，并且顯著縮短貼片所需時(shí)間。

加熱單元中的組件得到充分工程優(yōu)化，有良好的溫度均一性，以及100度/秒的升溫速率下，在22mm x 33mm區(qū)域內(nèi)加熱塊表面的溫度差異不超過10度。由此保證了芯片和基板的接觸面錫球可以同步熔化。

貼片頭使用的芯片吸頭(Nozzle)為片狀，尺寸與芯片尺寸匹配，材質(zhì)為單晶，有極佳的導(dǎo)熱性能，內(nèi)有真空通道，可以將芯片牢牢吸附固定，且芯片吸頭可以自動(dòng)更換，可實(shí)現(xiàn)同一個(gè)基板貼裝若干尺寸不同的芯片。

圖7，焊接裝置示意圖（顯示貼片頭到焊接平臺(tái)堆疊細(xì)節(jié)）

涂覆有液態(tài)助焊劑(Flux)的基板真空固定在加熱板(Pedestal)上，加熱板所在的平臺(tái)(Bond Stage)坐落在空氣軸承之上，在線性伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行無摩擦的水平移動(dòng)。加熱板最高可被加熱到200度，在基板的貼片過程中可以精準(zhǔn)控制基板的溫度。芯片和基板通過上下同軸的高分辨率的相機(jī)系統(tǒng)對(duì)位(Up Looking and Down Looking Optics)，該相機(jī)系統(tǒng)是熱控設(shè)計(jì)，可避免圖像因高溫畸變，如圖8所示。高精度的相機(jī)，以及無摩擦氣墊運(yùn)動(dòng)的基板平臺(tái)，保證了芯片和基板的極小的水平位置偏差，22mm x 33mm的芯片的偏移可小于2.5um且滿足Cpk 1.33。

圖8，焊接裝置示意圖（顯示平臺(tái)和設(shè)備內(nèi)腔）

貼片頭，光學(xué)相機(jī)板以及真空加熱板都位于密閉的腔體內(nèi)，如圖8所示。冷卻板(Cooling Plate)將整個(gè)腔體分為上方的大的惰性氣體腔(Macro Inter Chamber)和小的惰性氣體腔(Micro Inert Chamber)，冷卻板的正中央有一個(gè)開孔，貼片頭的芯片通過此開孔與基板結(jié)合。冷卻板可以防止下方大尺寸的加熱板的熱量傳遞到上方腔體，以避免影響貼片頭和光學(xué)相機(jī)板的功能。芯片轉(zhuǎn)移臂把芯片轉(zhuǎn)運(yùn)到冷卻板的中央開孔處，之后貼片頭向下運(yùn)動(dòng)將芯片吸起，芯片轉(zhuǎn)移臂復(fù)位后，貼片頭進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)，穿過中央開孔，將芯片貼置于基板上。上方密封腔充滿了氮?dú)?N2)，將氧氣的濃度控制在100ppm以下，以防止芯片在加熱過程中的氧化。同時(shí)下方密封腔也有氮?dú)鈿饬?，氧氣的濃度同樣控制?00ppm以下，以保護(hù)基板在加熱過程中不被氧化。

圖9，共面性測(cè)量

基板加熱板(Pedestal)和貼片頭的加熱體(heater)的下表面之間的共面性是通過一對(duì)高精度的電容型傳感器(Capacitive Sensors)測(cè)量的，該測(cè)量系統(tǒng)申請(qǐng)了專利（專利號(hào)：US8875979B2），如圖9所示。電容傳感器內(nèi)置于光學(xué)相機(jī)板之上，可隨著相機(jī)板以在貼片頭和加熱板之間水平移動(dòng)。上下傳感器成對(duì)同步工作，分別測(cè)量上方到貼片頭的距離和下方到加熱板的距離，兩個(gè)距離之和為貼片頭和加熱板點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離。隨著水平方向的移動(dòng)，可測(cè)量整個(gè)共面性。實(shí)際應(yīng)用中，取芯片所在區(qū)域的4個(gè)角落(A,B,C,D)進(jìn)行測(cè)量，用4個(gè)間距的最大差值來衡量共面度。貼片頭的主動(dòng)傾斜系統(tǒng)可將貼片頭適度傾斜，使貼片頭與下方加熱板平行，滿足微米級(jí)的共面度，這樣芯片和基板之間的整體距離可以達(dá)到一致。

1. 量產(chǎn)(HVM)過程中控制貼片質(zhì)量的要素及優(yōu)化
   

如圖10為TCB封裝的產(chǎn)品凸點(diǎn)錫焊鍵合的剖面圖，芯片-基板間距控制良好，焊接過程不超過4秒。

圖10，TCB焊接剖面圖

基板和芯片將賦予不同的加熱溫度，以減少兩者的膨脹效應(yīng)差距?；逯饕蓴?shù)層有機(jī)材料構(gòu)成，其翹曲效應(yīng)受溫度的變化影響較大，而芯片的形變則顯著低于基板。基板的加熱溫度保持在較低的程度（如140度左右），而芯片則在脈沖加熱器的作用下快速加熱（超過100度/秒）和快速降溫（超過50度/秒），這樣可以顯著減少熱量傳導(dǎo)給基板，貼片過程中基板可持續(xù)保持在較低的溫度而不會(huì)過度膨脹。

其他一些有助于貼片質(zhì)量的工藝優(yōu)化：1. 在芯片與基板對(duì)位之前，芯片已經(jīng)被加熱到待機(jī)溫度（約220度）；2. 對(duì)位光學(xué)相機(jī)是熱控設(shè)計(jì)的，可以保證高溫測(cè)量的精度；3. 基板加熱板的真空通路系統(tǒng)與基板有著良好的圖案匹配度，基板在加熱狀態(tài)下可適度軟化，在強(qiáng)力真空作用下貼合更平整，共面度更高。

TCB貼片頭垂直方向選用了ZERODUR光柵尺，以提供高精度的垂直位置控制，從而能夠精準(zhǔn)的識(shí)別到錫球固液相變以及隨后的精細(xì)位移控制。貼片頭與基板加熱板的熱膨脹校準(zhǔn)，用以補(bǔ)償貼片頭的垂直移動(dòng)距離，從而更進(jìn)一步提高精度，尤其是在固液相變以及錫液界面收縮過程中。每顆芯片在貼裝過程中都會(huì)檢測(cè)共面度，并反饋給貼片頭主動(dòng)傾斜補(bǔ)償，以滿足3um的共面度。在芯片和基板之間的錫焊完全固化前，提前釋放真空吸附的芯片也可導(dǎo)致芯片翹起失效。適當(dāng)增加貼片頭的等待時(shí)間可以有效避免該失效。另外一種替代方法，即通過壓力傳感器的信號(hào)監(jiān)測(cè)錫焊固化。冷卻過程中，錫焊固化會(huì)將貼片頭向下牽扯，表現(xiàn)為張力信號(hào)的增加。

1. 量產(chǎn)中的工藝過程控制
   

為了滿足可靠量產(chǎn)的需要，不同的TCB之間的輸入輸出經(jīng)過校準(zhǔn)后，其性能可都到一致性匹配。這樣生產(chǎn)同一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，所有的TCB設(shè)備會(huì)下載相同的工藝參數(shù)，不需要針對(duì)某一臺(tái)TCB設(shè)備再單獨(dú)設(shè)置。應(yīng)用PCS（過程控制系統(tǒng)）監(jiān)測(cè)重要的工藝指標(biāo)參數(shù)。如果指標(biāo)參數(shù)與目標(biāo)值嚴(yán)重背離（如貼片頭的壓力，高度和溫度等），PCS系統(tǒng)會(huì)將設(shè)備自動(dòng)停止，并指導(dǎo)操作員做出相應(yīng)的響應(yīng)。PCS系統(tǒng)之外還集成了統(tǒng)計(jì)分析能力，可以反映每臺(tái)設(shè)備的性能趨向，用于決定是否觸發(fā)設(shè)備維護(hù)。充分利用強(qiáng)大的日志文件。貼片過程中的日志文件可以有效反映生產(chǎn)過程中的各種缺陷，如外來異物，助焊劑不足等等（如圖11，圖12所示），方便操作人員及時(shí)定位失效原因并給予修復(fù)。

圖11異常焊接記錄顯示當(dāng)出現(xiàn)其它物質(zhì)時(shí)的曲線圖

圖12異常焊接記錄顯示當(dāng)出現(xiàn)助焊劑不足時(shí)的曲線圖

寫在最后，英特爾公司采用的全新的TCB技術(shù)讓人眼前一亮，在封裝領(lǐng)域匹配了晶圓設(shè)備的性能。然而該工藝的特點(diǎn)以及精密的部件注定其成本不會(huì)低廉，維護(hù)諸多不易，應(yīng)用場(chǎng)景較為苛刻。相信隨著ASMPT公司對(duì)該設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化且簡(jiǎn)化，并深度客戶定制，業(yè)界采用該技術(shù)用于量產(chǎn)的公司會(huì)越來越多。

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